J.U.C Atomic(一)CAS原理
CAS概念
CAS:Compare And Swap,比较并交换。java.util.concurrent包完全是建立于CAS机制之上的。
CAS原理
Java CAS是通过调用Unsafe的native方法,再由C程序调用CPU底层命令实现的。
下面是对应于intel x86处理器的源代码的片段:
// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
// VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line
// so we can't insert a label after the lock prefix.
// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.
#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0 \
__asm je L0 \
__asm _emit 0xF0 \
__asm L0: inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
// alternative for InterlockedCompareExchange
int mp = os::is_MP();
__asm {
mov edx, dest
mov ecx, exchange_value
mov eax, compare_value
LOCK_IF_MP(mp)
cmpxchg dword ptr [edx], ecx
}
}
如上面源代码所示,程序会根据当前处理器的类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。如果程序是在多处理器上运行,就为cmpxchg指令加上lock前缀(lock cmpxchg)。反之,如果程序是在单处理器上运行,就省略lock前缀(单处理器自身会维护单处理器内的顺序一致性,不需要lock前缀提供的内存屏障效果)。
intel的手册对lock前缀的说明如下:
- 确保对内存的读-改-写操作原子执行。
- 禁止该指令与之前和之后的读和写指令重排序。
- 把写缓冲区中的所有数据刷新到内存中。
那么,cpu是如何来确保读、改、写操作原子性的呢?
- Bus Locking(总线锁)
在x86 平台上,CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU芯片上有一条引线#HLOCK pin,如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"LOCK",经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低,持续到这条指令结束时放开,从而把总线锁住,这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了,保证了这条指令在多处理器环境中可以独占内存。(这种方式性能会比较差,所以后来有了缓存一致性方案)
- 缓存一致性
MESI是保持一致性的协议,实现原理是在CPU缓存中记一个标记位,标记位有四种状态:
M: Modify,只在本CPU中有缓存数据,而其他CPU中没有。同时其状态相对于内存中的值来说,是已经被修改的,且没有更新到内存中。
E: Exclusive,只有在本CPU中有缓存,且其数据没有修改,即与内存中一致。
S: Share,数据在多个CPU中都有缓存,且与内存一致。
I: Invalid,本CPU中的这份缓存已经无效。
该协议约定的缓存上对应的监听:
- 一个处于M状态的缓存行,必须时刻监听所有试图读取该缓存行对应的主存地址的操作,如果监听到,则必须在此操作执行前把其缓存行中的数据写回CPU。
- 一个处于E状态的缓存行,必须时刻监听其他试图读取该缓存行对应的主存地址的操作,如果监听到,则必须把其缓存行状态设置为S。
- 一个处于S状态的缓存行,必须时刻监听使该缓存行无效或者独享该缓存行的请求,如果监听到,则必须把其缓存行状态设置为I。
当CPU需要读取数据时,如果其缓存行的状态是I的,则需要从内存中读取,并把自己状态变成S,如果不是I,则可以直接读取缓存中的值,但在此之前,必须要等待其他CPU的监听结果,如其他CPU也有该数据的缓存且状态是M,则需要等待其把缓存更新到内存之后,再读取。
当CPU需要写数据时,只有在其缓存行是M或者E的时候才能执行,否则需要发出特殊的RFO指令(Read Or Ownership,这是一种总线事务),通知其他CPU置缓存无效(I),这种情况下会性能开销是相对较大的。在写入完成后,修改其缓存状态为M。
但是有两种情况下处理器不会使用缓存锁定。第一种情况是:当操作的数据不能被缓存在处理器内部,或操作的数据跨多个缓存行(cache line),则处理器会调用总线锁定。第二种情况是:有些处理器不支持缓存锁定。对于Inter486和奔腾处理器,就算锁定的内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定。
CAS缺点
CAS虽然很高效的解决原子操作,但是CAS仍然存在三大问题。
- ABA问题
因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化,如果没有发生变化则更新,但是如果一个值原来是A,变成了B,又变成了A,那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化,但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号,每次变量更新的时候把版本号加一,那么A-B-A 就会变成1A-2B-3A。从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。
- 自旋开销大
自旋CAS如果长时间不成功,会给CPU带来非常大的执行开销。jdk1.8好像已经不是采用自旋的方式了,但是据说效率也没有得到多大提高。这个可以自己去测试一下。
- 只能保证一个共享变量的原子操作
当对一个共享变量执行操作时,我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,循环CAS就无法保证操作的原子性,这个时候就可以用锁,或者有一个取巧的办法,就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。
J.U.C Atomic(一)CAS原理的更多相关文章
- JAVA CAS原理深度分析-转载
参考文档: http://www.blogjava.net/xylz/archive/2010/07/04/325206.html http://blog.hesey.net/2011/09/reso ...
- JAVA CAS原理
转自: http://blog.csdn.net/hsuxu/article/details/9467651 CAS CAS: Compare and Swap java.util.concurren ...
- 【转】JAVA CAS原理深度分析
java.util.concurrent包完全建立在CAS之上的,没有CAS就不会有此包.可见CAS的重要性. CAS CAS:Compare and Swap, 翻译成比较并交换. java.uti ...
- JAVA CAS原理深度分析
参考文档: http://www.blogjava.net/xylz/archive/2010/07/04/325206.html http://blog.hesey.net/2011/09/reso ...
- JAVA CAS原理深度分析(转)
看了一堆文章,终于把JAVA CAS的原理深入分析清楚了. 感谢GOOGLE强大的搜索,借此挖苦下百度,依靠百度什么都学习不到! 参考文档: http://www.blogjava.net/xylz/ ...
- Java中的CAS原理
前言:在对AQS框架进行分析的过程中发现了很多CAS操作,因此有必要对CAS进行一个梳理,也便更清楚的了解其原理. 1.CAS是什么 CAS,是compare and swap的缩写,中文含义:比较交 ...
- JAVA CAS原理浅谈
java.util.concurrent包完全建立在CAS之上的,没有CAS就不会有此包.可见CAS的重要性. CAS CAS:Compare and Swap, 翻译成比较并交换. java.uti ...
- java多线程之CAS原理
前言 在Java并发包中有这样一个包,java.util.concurrent.atomic,该包是对Java部分数据类型的原子封装,在原有数据类型的基础上,提供了原子性的操作方法,保证了线程安全.下 ...
- 转:JAVA CAS原理深度分析
看了一堆文章,终于把Java CAS的原理深入分析清楚了. 感谢GOOGLE强大的搜索,借此挖苦下百度,依靠百度什么都学习不到! 参考文档: http://www.blogjava.net/xylz/ ...
随机推荐
- 修复安卓的bug
一直不明白listview中的复用,为什么会出现,项目多了.点击同一行的按钮,操作的不是指定行的对象. 仔细研读了代码,突然明白了.因为复用了,导致了position改变了. 伪码 if(conver ...
- ci框架简单出现的错误[Undefined property: MContacts::$db]
出现这样的错误时说明自己忘记加载数据库了, application/config/aotuload.php $autoload['libraries'] = array('database') ...
- 关于javascript遍历对象
1:遍历对象属性var obj={a:'aa',b:'bb'} for(var i in obj) { alert(i); //输出 a b } var obj={'a':'aa','b':'bb'} ...
- 使用AngularJS实现的前后端分离的数据交互过程
一. AngularJS简介 AngularJS是什么 AngularJS是一个开源Web应用程序框架.最初是由MISKO Hevery和Adam Abrons于2009年开发,现在是由谷歌维护. A ...
- ResultSet是结果集对象
ResultSet是结果集对象 DriverManager管理一组驱动程序 PreparedStatement预编译的,用来发送和执行SQL语句的
- hdu 1392:Surround the Trees(计算几何,求凸包周长)
Surround the Trees Time Limit: 2000/1000 MS (Java/Others) Memory Limit: 65536/32768 K (Java/Other ...
- poj_1836 动态规划
题目大意 N个士兵排成一排,不是按照高度顺序排列.现在想要从中去掉几名士兵,从而使得队伍中剩余的士兵能够看到这排最左边或者最右边的那个士兵,某士兵能够看到最左边(或最右边)的士兵指这名士兵和最左边(或 ...
- [SDOI2016 Round1] 征途[斜率优化]
2225. [SDOI2016 Round1] 征途 ★★★☆ 输入文件:menci_journey.in 输出文件:menci_journey.out 简单对比时间限制:1 s 内存 ...
- 《从零开始学Swift》学习笔记(Day 70)——Swift与Objective-C混合编程之Swift与Objective-C API映射
原创文章,欢迎转载.转载请注明:关东升的博客 Swift与Objective-C API映射 在混合编程过程中Swift与Objective-C调用是双向的,由于不同语言对于相同API的表述是不同的, ...
- 类似hibernate实现sql增删改错
Util package utils; import java.lang.reflect.Method; import java.util.ArrayList; import java.util.Ha ...